微電網(wǎng)并網(wǎng)/獨立模式自動無縫切換控制策略

王靜+李光輝+汪婷婷

摘 要：含有多種分布式電源微電網(wǎng)的出現(xiàn)，解決了大電網(wǎng)諸多弊端日益凸顯和分布式電源接入電網(wǎng)困難的問題。研究了一種含有風光儲多種分布式電源聯(lián)合供電的微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)/獨立模式自動無縫切換的控制策略，并詳細介紹了在以儲能單元作為主網(wǎng)單元時，儲能換流器（PCS）并網(wǎng)到獨立運行模式、獨立到并網(wǎng)運行模式的控制策略。并通過RT_Lab軟件進行仿真驗證，仿真結(jié)果證明了微電網(wǎng)并網(wǎng)/獨立模式自動無縫切換控制策略的可靠性和可行性，對微電網(wǎng)示范工程提供了理論依據(jù)和借鑒。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；并網(wǎng)/獨立；自動無縫切換；儲能換流器

中圖分類號：TM732 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）10-0001-04

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，超大規(guī)模電力系統(tǒng)建設(shè)成本高、運行難度大且難以滿足用戶多樣化供電需求等弊端日益凸現(xiàn)，加上國家政策對清潔能源的支持，具有污染少、能源利用效率高、安裝地點靈活等優(yōu)點的分布式發(fā)電越來越受到重視。但由于大電網(wǎng)對分布式電源的單機接入難以控制，一般大電網(wǎng)采取限制和隔離的方式處置分布式電源，為了協(xié)調(diào)兩者間的矛盾，充分挖掘分布式能源給電網(wǎng)和用戶帶來的價值和效益。因此，含有分布式電源的微電網(wǎng)應(yīng)運而生。

微電網(wǎng)是由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負荷、監(jiān)控和保護裝置等匯集而成的具有自我控制、保護和管理的自治小型發(fā)配電系統(tǒng)，既可并網(wǎng)運行，也可獨立運行。為了系統(tǒng)安全、可靠供電，兩種運行模式的自動無縫切換技術(shù)就顯得尤為重要。本文以含有風光儲聯(lián)合發(fā)電的微電網(wǎng)作為平臺，來研究并網(wǎng)/獨立模式無縫切換的控制策略，將詳細介紹基于儲能換流器控制的對電網(wǎng)狀態(tài)快速、準確識別的技術(shù)和微電網(wǎng)同期并網(wǎng)的控制方法，利用RT_Lab仿真軟件建立仿真模型，并對仿真結(jié)果進行分析，來驗證通過此種控制策略微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性水平，從而改善電能質(zhì)量和優(yōu)化微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1 微電網(wǎng)并網(wǎng)/獨立模式切換控制策略

含有多種分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)含有風電系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、儲能單元、微型燃氣輪機、負荷和監(jiān)控裝置等。其中，儲能單元作為微電網(wǎng)的主網(wǎng)單元，在大電網(wǎng)正常情況下，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，所有分布式電源均運行于P-Q模式；當儲能換流器PCS（Power Converter System）檢測到大電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時，PCS自身從P-Q模式切換到V-F模式，同時就地控制公共連接點（PCC）處并網(wǎng)開關(guān)斷開，實現(xiàn)微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式平滑切換到獨立模式運行。當大電網(wǎng)狀態(tài)恢復(fù)正常后，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)經(jīng)過同期調(diào)節(jié)過程；當滿足同期條件時，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行。微電網(wǎng)并網(wǎng)/獨立模式切換控制原理如圖1所示。

1.1 并網(wǎng)到獨立模式無縫切換控制策略

在微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式自動無縫切換到獨立模式的核心控制策略主要包括以下兩方面：①如何快速、準確地識別大電網(wǎng)實時運行狀態(tài)；②如何實現(xiàn)儲能換流器從P/Q模式向V/F模式的平滑切換。在由儲能作為微電網(wǎng)主網(wǎng)單元的系統(tǒng)中，由PCS直接采集大電網(wǎng)信息進行狀態(tài)識別，根據(jù)識別結(jié)果，同時通過就地控制信號實現(xiàn)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)開關(guān)的斷開，來完成微電網(wǎng)自動無縫切換。通過分析微電網(wǎng)內(nèi)電源與負載匹配程度與電壓、頻率等特征狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，采用被動式識別方法；通過分析鎖相環(huán)輸出偏差與主動式識別方法的相互關(guān)系，采用基于鎖相技術(shù)的主動式識別方法。為了克服被動式識別技術(shù)存在較大盲區(qū)和主動式識別影響變流器輸出電能質(zhì)量的缺點，可以采取“主動被動混合式”電網(wǎng)狀態(tài)準確識別，從而達到并網(wǎng)到獨立模式無縫平滑的切換。

1.1.1 電源-負載不匹配特征信號被動式識別

在主電網(wǎng)斷電的瞬間，有功和無功不匹配的情況下，微電網(wǎng)輸出的電壓和頻率特性可以通過解析的方法計算。將微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時的供電系統(tǒng)看作一個電流源，可得孤網(wǎng)運行時系統(tǒng)頻率特征方程：

由上述推導(dǎo)可得如下結(jié)論：根據(jù)這種鎖相環(huán)可得控制系統(tǒng)任何一個開關(guān)周期對應(yīng)的電壓角度如公示（9）所示。根據(jù)這種鎖相環(huán)工作原理可知，該鎖相環(huán)利用擾動步長實現(xiàn)一種有差鎖相，而利用這種有差鎖相可以增加系統(tǒng)頻率擾動，實現(xiàn)基于鎖相環(huán)的頻率擾動主動識別。

由以上分析可知，通過主動式的鎖相技術(shù)，在得到控制系統(tǒng)需要的電壓相位同時，在鎖相環(huán)環(huán)節(jié)增加頻率擾動，在輸出特性上，通過每個開關(guān)周期均勻增加微小擾動，對電能質(zhì)量影響較?。辉跀_動速度上，通過多個開關(guān)周期擾動累加，可以提高擾動強度，這種主動式識別方法可以在電源-負載匹配時發(fā)揮重要作用。通過被動式的識別方法，根據(jù)系統(tǒng)電壓幅值和頻率的特性信號，可以在電源-負載不匹配時發(fā)揮重要作用。

為了充分發(fā)揮主動式和被動式識別方法各自的優(yōu)點，我們將采用主動被動混合式的電網(wǎng)狀態(tài)識別方法，可以實現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)的快速準確識別功能，具體控制框圖如圖2所示。

1.2 獨立到并網(wǎng)無縫切換控制策略

當大電網(wǎng)狀態(tài)恢復(fù)正常后，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)經(jīng)過一個同期調(diào)節(jié)過程，在滿足同期條件時，微電網(wǎng)自動切換至并網(wǎng)運行模式。在以儲能單元作為主網(wǎng)單元的系統(tǒng)里，微電網(wǎng)的同期過程利用PCS實現(xiàn)。PCS通過比較PCC兩端微電網(wǎng)和大電網(wǎng)電壓矢量偏差，調(diào)節(jié)儲能換流器輸出電壓矢量，進而調(diào)節(jié)微電網(wǎng)電壓矢量，直至微電網(wǎng)電壓矢量和大電網(wǎng)電壓矢量滿足并網(wǎng)條件時，閉合并網(wǎng)開關(guān)實現(xiàn)微電網(wǎng)同期并網(wǎng)。

微電網(wǎng)在同期過程中，系統(tǒng)內(nèi)其他分布式電源始終以P-Q模式并網(wǎng)運行。由功角特性調(diào)節(jié)原理可知，微電網(wǎng)母線電壓矢量突變會引起其他分布式電源脫網(wǎng)。此外，微電網(wǎng)微小的同期偏差會引起各分布式電源很大的電流沖擊，導(dǎo)致各分布式電源脫網(wǎng)。因此，基于儲能換流器微電網(wǎng)同期調(diào)節(jié)技術(shù)，是實現(xiàn)微電網(wǎng)平穩(wěn)同期并網(wǎng)的關(guān)鍵所在。

1.2.1 微電網(wǎng)同期并網(wǎng)控制方法

基于PCS主網(wǎng)方式的微電網(wǎng)同期控制采用了微電網(wǎng)母線電壓矢量定向控制，調(diào)節(jié)原理如圖3所示。PCS根據(jù)實時的大電網(wǎng)電壓和微電網(wǎng)電壓信號，通過電壓矢量d軸定向控制技術(shù)，不斷調(diào)節(jié)微電網(wǎng)母線電壓矢量，使得滿足同期條件： .

圖9、圖10分別為微電網(wǎng)PCC點兩端交流母線的電壓波形和電壓相角變化波形。由波形可見，在第28 s時，大電網(wǎng)恢復(fù)供電；經(jīng)過約2 s的同期調(diào)節(jié)過程，在第30 s時，PCC處并網(wǎng)開關(guān)閉合，實現(xiàn)微電網(wǎng)由獨立模式到并網(wǎng)模式的平滑切換。且在切換過程中，由圖11（微電網(wǎng)同期過程系統(tǒng)負荷三相電流變化波形）可知，系統(tǒng)負荷電流無明顯波動，從而驗證了微電網(wǎng)由獨立模式切換至并網(wǎng)模式控制策略的有效性和可靠性，保證了網(wǎng)內(nèi)用電設(shè)備可靠、安全的供電。

3 結(jié)束語

本文提出了一種含有風光儲分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)，介紹了微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和并網(wǎng)/獨立兩種運行模式，并對兩種運行模式自動無縫切換的控制策略進行了仿真驗證。其中，在微電網(wǎng)由并網(wǎng)到獨立模式的切換過程中，我們主要分析了以儲能變流器從P/Q模式向V/F模式平滑切換的控制方法、電源-負載不匹配特征信號被動式識別、基于鎖相環(huán)的頻率擾動主動式識別和主動被動混合式的電網(wǎng)狀態(tài)識別方法。在微電網(wǎng)由獨立到并網(wǎng)模式切換時，主要分析了微電網(wǎng)同期并網(wǎng)原理和儲能換流器平穩(wěn)同期控制策略，并在RT_Lab搭建的微電網(wǎng)模型中驗證了并網(wǎng)/獨立模式自動無縫切換控制策略的有效性，從而為微電網(wǎng)示范工程和相關(guān)研究工作提供經(jīng)驗、理論指導(dǎo)。

參考文獻

[1]裴瑋，李澎森，李惠宇，等.微網(wǎng)運行控制的關(guān)鍵技.術(shù)及其測試平臺[J].電力系統(tǒng)自動化，2010（01）.

[2]魯宗相，王彩霞，閔勇，等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2007（19）.

[3]劉波，郭家寶，袁志強，等.風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度策略研究[J].華東電力，2010（12）.

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[5]唐西勝，鄧衛(wèi)，李寧寧，等.基于儲能的可再生能源微網(wǎng)運行控制技術(shù)[J].電力自動化設(shè)備，2012（03）.

[6]KATIRAEI F，IRAVANI M R，LEHN P W.Micro-grid autonomous operation during and subsequent to islanding process[J].IEEE Trans on Power Delivery，2005（01）.

圖9、圖10分別為微電網(wǎng)PCC點兩端交流母線的電壓波形和電壓相角變化波形。由波形可見，在第28 s時，大電網(wǎng)恢復(fù)供電；經(jīng)過約2 s的同期調(diào)節(jié)過程，在第30 s時，PCC處并網(wǎng)開關(guān)閉合，實現(xiàn)微電網(wǎng)由獨立模式到并網(wǎng)模式的平滑切換。且在切換過程中，由圖11（微電網(wǎng)同期過程系統(tǒng)負荷三相電流變化波形）可知，系統(tǒng)負荷電流無明顯波動，從而驗證了微電網(wǎng)由獨立模式切換至并網(wǎng)模式控制策略的有效性和可靠性，保證了網(wǎng)內(nèi)用電設(shè)備可靠、安全的供電。

3 結(jié)束語

本文提出了一種含有風光儲分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)，介紹了微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和并網(wǎng)/獨立兩種運行模式，并對兩種運行模式自動無縫切換的控制策略進行了仿真驗證。其中，在微電網(wǎng)由并網(wǎng)到獨立模式的切換過程中，我們主要分析了以儲能變流器從P/Q模式向V/F模式平滑切換的控制方法、電源-負載不匹配特征信號被動式識別、基于鎖相環(huán)的頻率擾動主動式識別和主動被動混合式的電網(wǎng)狀態(tài)識別方法。在微電網(wǎng)由獨立到并網(wǎng)模式切換時，主要分析了微電網(wǎng)同期并網(wǎng)原理和儲能換流器平穩(wěn)同期控制策略，并在RT_Lab搭建的微電網(wǎng)模型中驗證了并網(wǎng)/獨立模式自動無縫切換控制策略的有效性，從而為微電網(wǎng)示范工程和相關(guān)研究工作提供經(jīng)驗、理論指導(dǎo)。

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圖9、圖10分別為微電網(wǎng)PCC點兩端交流母線的電壓波形和電壓相角變化波形。由波形可見，在第28 s時，大電網(wǎng)恢復(fù)供電；經(jīng)過約2 s的同期調(diào)節(jié)過程，在第30 s時，PCC處并網(wǎng)開關(guān)閉合，實現(xiàn)微電網(wǎng)由獨立模式到并網(wǎng)模式的平滑切換。且在切換過程中，由圖11（微電網(wǎng)同期過程系統(tǒng)負荷三相電流變化波形）可知，系統(tǒng)負荷電流無明顯波動，從而驗證了微電網(wǎng)由獨立模式切換至并網(wǎng)模式控制策略的有效性和可靠性，保證了網(wǎng)內(nèi)用電設(shè)備可靠、安全的供電。

3 結(jié)束語

本文提出了一種含有風光儲分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)，介紹了微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和并網(wǎng)/獨立兩種運行模式，并對兩種運行模式自動無縫切換的控制策略進行了仿真驗證。其中，在微電網(wǎng)由并網(wǎng)到獨立模式的切換過程中，我們主要分析了以儲能變流器從P/Q模式向V/F模式平滑切換的控制方法、電源-負載不匹配特征信號被動式識別、基于鎖相環(huán)的頻率擾動主動式識別和主動被動混合式的電網(wǎng)狀態(tài)識別方法。在微電網(wǎng)由獨立到并網(wǎng)模式切換時，主要分析了微電網(wǎng)同期并網(wǎng)原理和儲能換流器平穩(wěn)同期控制策略，并在RT_Lab搭建的微電網(wǎng)模型中驗證了并網(wǎng)/獨立模式自動無縫切換控制策略的有效性，從而為微電網(wǎng)示范工程和相關(guān)研究工作提供經(jīng)驗、理論指導(dǎo)。

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